345

5. ENERGIJA SUNCA (SUN. ZRA5. ENERGIJA SUNCA (SUN. ZRA ČČENJA)ENJA)

5.1. Sunčevo zra čenje

5.2. Sunčeve (solarne) elektrane

5.3. Fotonaposke ćelije i sustavi

5.4. Uporaba fotonaponskih sustava i tržište

346

5.1. Sunčevo zra čenje

347

Postanak

Energija Sunčeva zračenja koja dopire do vanjskog ruba Zemlje ovisno o udaljenosti Zemlje od Sunca iznosi 1307-1399 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja

Srednja vrijednost Sunčeva zračenja na okomitu plohu naziva se solarna konstanta i iznosi E0sr=1367.7 W/m2

Za različite udaljenosti Zemlje od Sunca stvarna vrijednost Sunčeva zračenja na okomitu plohu je:

gdje je: r – srednja udaljenost Zemlje od Sunca

R - stvarna udaljenost Zemlje od Sunca (za promatrani dan može se smatrati konstantnom)

2

0

=R

rEE sro

348

Sunčevo zra čenje (jakost) može se približno kvantitativno izraziti sa:

[W/m2]

gdje je: ε ekscentricitet elipse, n broj dana u godini

Ukupna dnevna koli čina energije u [J] koja se dobije ozračenjem vodoravne plohe po jedinici površine računa se po izrazu:

ωs satni kut sunca (12h=00, 13h=150, 15h=450);

Φ zemljopisna širina promatranog mjesta;

δ deklinacija Sunca (kut izmeñu spojnice središta Zemlje sa središtem Sunca i ravnine Ekvatora)

srsro En

EnnE 00

0

00 365

360cos034.01)()(

+== ε

+Π

+

Π= δφωδφωωδφ coscossinsinsin

360

2

365

360cos034.01

86400),,,(

0

0

0 sssrso

nEnW

200

365

248360sin45.23

+= nδ

349

Prosječna mjesečna ili godišnja energija Sunčeva zračenja u nekom mjesecu dobiva se kao aritmetička sredina dnevnih energija za sve dane u promatranom mjesecu/godini.

Ipak, pri prolasku kroz atmosferu dolazi do gubitaka energije izravnog Sun čevog zračenja , ovisno o

atmosferskim prilikama (vedro, poluoblačno, oblačno) zagañenosti atmosfere i nadmorskoj visini!

Maksimalni dotok energije do Zemljine površine iznosi u prosjeku dnevno 920 W/m2

na plohu okomitu na smjer zračenja.

Energija sunčeva zračenja zbog rotacije rasporeñuje se površinom Zemlje, pa na površinu Zemlje dolazi prosje čno dnevno 230 W/m2, Utjecaj atmosfere na upadno

Sunčevo zračenje

350

To daje dnevno 5.52 kWh/m 2 energije, ovisno o trajanju insolacije (zemljopisna širina, godišnja dob), te naoblaci i zagañenosti (atmosferskim uvjetima).

Površina Zemlje je 510.1 106 km2 što daje godišnju energiju Sunčeva zračenja od oko 10 9 TWh/god (ogromno!)

Slika usporeñuje preko volumena kocke energiju Sunca dozračenu na Zemlju (1) sa rezervama primarnih izvora energije i ukupnom godišnjom svjetskom potrošnjom energije (7).

Nedvojbeno je da se radi o enormnim količinama energije mnogostruko večim od svih rezervi ugljena (4), prirodnog plina (3), nafte (5) i urana (6) zajedno. Iznos trenutno korište sunčeve energije prikazuje najsitnija kocka broj 2.

351

No, pri tome postoje veliki problemi pri iskorištavanju:

1. Mala gusto ća energetskog toka, 2. Oscilacija intenziteta (jakosti) zračenja tijekom dana, 3. Ovisnost zra čenja o klimatskim uvjetima, 4. Intezitet zra čenja ne poklapa se s intenzitetom potrošnje , 5. Nemogu ćnost skladištenja , 6. Trenutna neisplativost (osobito za fotonaponske ili sunčeve ćelije – PV) u usporedbi s ostalim izvorima energije

Stoga se Sunčeva energija trenutno izravno koristi uglavnom za dobivanje toplinske energije, a za sada samo u malom udijelu za izravno pretvaranje u električnu energiju (fotonaponska pretvorba)

352

Jakost zračenja koja dopire do Zemljine površine, a mogla bi se iskorištavati mijenja se tijekom dana i godine, te ovisi o položaju plohe na koju dopire zračenje.

Smanjuje se s smanjenjem nadmorske visine (duži put zraka) i s povećanjem zemljopisne širine (manji upadni kut zračenja)

Snaga ukupnog zračenja Sunca na okomitu i vodoravnu plohu pri vedrom

vremenu na 59˚ (grad Zagreb)

okomita ploha vodoravna ploha

353

Sunčevo zra čenje – mjerenje

Za neku odreñenu lokaciju potencijal Sunčeva zračenja se odreñuje mjerenjem i analitički.

Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Piranometrom (termičkim ili poluvodičkim) se mjeri globalna (ukupna), direktna (izravna) i difuzna (raspršena) ozračenost na horizontalnu površinu (gustoća energije H u [Wh/m2]).

rasprrasprššenoeno

izravnoizravno

globalnoglobalno

direktno

difuznodifuzno

354

Obrañeni podaci su dostupni od različitih institucija koje integriraju mjerenja meteoroloških postaja i satelita sa analitičkom obradom za višegodišnja razdoblja i različite rezolucije. Svi izvori koji nisu rezultat posebnih mjerenja za konkretnu lokaciju imaju neodreñenost koja može biti i do 30%. Neodreñenost je manja na nivou procjene za ukupnu godišnju ozračenost.

Primjeri izvora podataka koje je moguće kupiti je European Centre for Medium Range Weather Forecast. Postoje i podaci koji su slobodno dostupni, npr.: NASA Surface Meteorology and Solar Energy za razdoblje od 1983-1993 i Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) za mrežu od 1 do 2 km. Slika prikazuje ilustraciju PVGIS podataka za horizontalnu površinu na primjeru Hrvatske

ožujak lipanj rujan prosinac

355Elektrotehnički fakultet Osijek

Ukupna godišnja ozračenost [kWh/m2]

za površinu pod optimalnim kutom

356

Prema PVGIS podacima optimalni kut se za područje RH kreće od 33o na sjeveru do 37o na jugu. Valja imati na umu da se optimalni kut mijenja tijekom godine zbog prividnog kretanja sunca (npr. za Zadar optimalni kut na nivou godine je 36o, a za pojedine mjesece: 45o u ožujku, 10o u lipnju, 41o u rujnu i 66o u prosincu).

Kod fiksnih instalacija je potrebno odabrati optimalni kut za maksimalnu godišnju energiju ili za maksimalnu energiju tijekom slabijih sunčanih dana.

Najbolje je rješenje koje prati kretanje sunca. Time se može povećati dobivena energija za 25-40% - više se postiže na praćenje Sunca u dvije osi i za sunčanije lokacije

Za procjenu potencijala korištenja Sunčeva zračenja i preliminarne analize primjene dovoljni su i ovako relativno grubi podatci.

Ograničenje za korištenje Sunčeve energije u podnebljima poput našega sigurno nije u dostupnim potencijalima: vodeća Europska zemlja u korištenju Solarne energije je Njemačka gdje u je godišnja prosječna ozračenost na optimalnu površinu ispod 1000 kWh/m2.

357

5.2. Sunčeve (solarne) elektrane

358

Uporaba energije Sunca

Proizvodnja toplinske energije:

1. Pasivno solarno grijanje (izravno grijanje zgrade kao kolektora)

2. Aktivno solarno grijanje (grijanje vode pomoću solar. kolektora)

Proizvodnja toplinske i električne energije:

3. Solarne termoelektrane (el. energija proizvodi se posredno preko toplinskog kružnog procesa) – bliže ekonomičnosti

Proizvodnja električne energije:

4. Fotonaponske (FN) ili sun čeve ćelije (Photo Voltaic Cells, PV, izravna pretvorba na temelju fotoefekta) – veći poticaji i stoga brži razvoj

359

Solarne termoelektrane

TE na Sunčevu energiju se ne razlikuju u osnovi od ostalih TE u dijelu koji pretvara toplinsku energiju u električnu. Uvijek se primjenjuje toplinski kružni proces koji preko turbine ili nekog drugog toplinskog stroja pretvara toplinsku energiju u mehaničku i električnu preko generatora. Tri su različita rješenja Solarnih termoelektrana relevantna prema iskustvu i potencijalu za ekonomičnu primjenu:

1. Parabolična protočna solarna TE,

2. Solarni toranj

3. Parabolični tanjur

Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu Sunčevog zračenja i za dostatnu učinkovitost moraju pratiti kretanje Sunca.

Pored navedenih rješenja zanimljivo je spomenuti i tzv. Solarni dimnjak koji se bazira na solarnim kolektorima i zračnim turboagregatima (zasada manji potencijal).

360

Parabolična protočna solarna TE

S poljem cijevi u fokusu polja linearnih paraboličnih koncentratora -najveći potencijal za posve komercijalno korištenje.

Kumulativno iskustvo i ukupne probne instalacije daleko premašuju sva ostala rješenja Solarnih TE. Veliko iskustvo sa ovim rješenjem dolazi od 354 MWe instalacija u Mojave pustinji u Californiji još prije 20 godina čini parabolične protoče STE najrazvijenijom tehnologijom.

Relativni zastoj u aktivnostima se mijenja u zadnje vrijeme izgradnjom postrojenja u Španjolskoj, Izraelu i drugdje, ali uz zastoje i nesigurnu budućnost.

Koncentracijom Sunčeva zračenja od 75x postižu se temperature radnog medija i do 400 oC. Ukupna efikasnost ovisi o specifičnoj izvedbi, ali se kreće oko 12%.

Solarni koncentratori mogu pratiti Sunce samo u jednoj osi i to je obično istok-zapad.

361

Kao kružni proces se uobičajeno koristi Rankineov direktni ili posredni. Usklañivanje dostupnosti energije Sunca i potrošnje se rješava toplinskim spremnicima velikog kapaciteta (otopljene soli). Optimalna snaga postrojenja se računa na oko 200 MWe (najviše zbog površine).

Parabolična protočna Solarna TE 30 MWe Kramer Junction, California

362

Parabolična protočna solarna TE

Primjer izvedbe sa dogrijavanjem

363

Solarna TE Solarna TE –– izvedba s solarnim tornjem (srediizvedba s solarnim tornjem (središšnjim prijemnikom, njim prijemnikom, ““One One pilotpilot”” izvedba)izvedba)

Tehnologija sa centralnim tornjem je nešto slabije razvijena. Ovdje se postižu koncentracije sunčevih zraka do 800x i temperature u tornju do 560 oC (istopljena dušična sol, organske kapljevine ili zrak). Optimalna snaga se procjenjuje u rasponu od 100 do 100 MWe.

364

Solarna TE s paraboličnim tanjurom

Najmanje razvijena od tri opisane STE je izvedba sa paraboličnim tanjurima. Ove STE najmanje izgledaju kao uobičajene termoelektrane jer jedna jedinica ima snagu od 10 do 25 kWe.

365

Kompletan toplinski stroj i generator se nalaze smješteni u fokusu tanjura promjera oko 10 m.

Uobičajena izvedba je sa Stirlingovim toplinskim strojem (postoje izvedbe sa mikroturbinama i Braytonovim kružnim procesom). Stirlingov motor ima prednost zbog efikasnosti (i preko 40%), ali problem predstavlja pouzdanost. Ukupna efikasnost koja se postiže iznosi 22% što je dosta bolje od ostalih izvedbi STE Sunčeva svjetlost se koncentrira više od 3000x što predstavlja izazov kod realizacije (skupo).

STE sa paraboličnim tanjurom karakterizira velika gustoća snage (oko 55 kW/l). Medij u toplinskom stroju postiže temperature od preko 750 oC.

Značajna razlika STE sa paraboličnim tanjurom u odnosu na ostale izvedbe u jediničnoj snazi odreñuje i potencijal za primjenu kao distribuirani izvor el. en. za izdvojene lokacije i sl.

Trenutno u svijetu postoji više MWe ukupno instaliranih jedinica u svrhe razvoja i probnog rada.Postoje planovi za stotine MWe instalacija.

366

Solarne TE - cijena proizvedene elektri čne energije

367

Solarne TE Solarne TE –– stupanj stupanj djelovanjadjelovanja

Samo 10 – 30 % izravnog sunčevog zračenja sa pretvara u el. energiju

Stupanj djelovanja solarne TE s središnjim tornjem

368

Solarne toplinske elektrane - zaklju čno

Iskustvo: 354 MW u pogonu uspješno preko 10 godina

Raspoloživost: korištenje spremnika topline ili hibridnih rješenja

Konkurentnost cijene solarne el. energije: $0,10/kWh

Brzo rješenje, investicije industrije: 90 do 100 mi lijuna USD

Utjecaj spremnika topline na pomak dostupne el. en

369

Lokacije projekata

50 MW Grčka, 50 MW Španjolska, 100 MW J. Afrika, 178 MW Maroko, 135 MW Indija, 140 MW Meksiko, 140 MW Egipa t, 40 MW Italija

Kratkoro čni ciljevi: 1000 MW na mreži i 0,5 miliona m 2 sustava integriranih u zgrade.

Energetski krov integriran u zgraduEnergetski krov integriran u zgraduRaleigh, North Carolina, USA

370

Fotonaponska pretvorba

Povijest

1839. Henri Becquerel: Fotonaponski efekt

Početak 20. stoljeća bio je predmetom mnogih istraživanja (jedina Nobelova nagrada Einsteina - za istraživanje solarne energije: objašnjenje fotonaponskog efekta 1905. godine).

1954., Bell Telephone: otkrivena PV ćelija, pri ispitivanju osjetljivosti adekvatno pripremljenog silikonskoga oblata na sunčevo svjetlo. Predstavljen prvi fotonaponski članak koji je generirao upotrebljivu količinu električne energije.

Od 1958. ugra ñivanje u komercijalne aplikacije (za svemirski program, napajanje SAD satelita). Uspješnost PV u svemiru dovela je do komercijalnih primjena PV tehnologije.

371

5.3. Fotonaponska ćelija i sustav

372

Fotonaponska pretvorba

Fotonaponska pretvorba je izravna pretvorba sun čevoga svjetla u elektri čnu struju.

Sunčevo svjetlo se sastoji od fotona (dijelova solarne energije kojisadržavaju različite količine energije koje odgovaraju različitim duljinama valova solarnoga spektra.

Energija fotona: E = h·ν gdje je

h Planckova konstanta 6.625·10-34 Js v frekvencija fotona (obrnuto proporcionalna valnoj duljini)

Kada fotoni pogode FN ćeliju, oni se mogu reflektirati od nje, proći direktno kroz nju ili biti apsorbirani (upijeni).

Samo apsorbirani fotoni daju energiju za osloba ñanje elektrona iproizvodnju elektri čne struje (fotonaponski efekt).

373

Dva osnovna tipa ureñaja:

a) fotonaponska (solarna, sun čeva) ćelija – pasivan fotokemijski pretvarač jer je za gibanje osloboñenih elektrona potreban vanjski izvor energije (električna energija ovisi o intenzitetu Sunčevog zračenja).

Fotonaponska ćelija je poluvodi čki element koji se obično pravi od silikonske legure, tj. legure Silicija (ili drugog poluvodi ča).

b) foto članak ili fotoelement – konstrukcija: zaporni sloj izmeñu poluvodičke elektrode malog izlaznog rada (selen, germanij, silicij) i metalne podloge

Fotoelement: na metalnoj elektrodi skupljaju se elektroni – negativni naboj, a na poluvodičkoj elektrodi pozitivni naboji pa nastaje razlika potencijala. U uporabi: bakar-oksid na bakru, selen na željezu i silicij na željezu. Stupanj djelovanja fotoelementa je vrlo nizak (11-14%).

374

Kada poluvodič apsorbira dovoljno sunčevog svjetla (energije), elektroni se istiskuju iz atoma materijala.

Specijalna obrada površine mat.: prednja površina ćelije prijemljiva za slobodne elektrone, elektroni se prirodno sele na površinu.

Elektroni napuštaju njihovu poziciju, oblikuju se šupljine.

Elektrona (neg. naboji) putuju prema prednjoj površini ćelije: neravnoteža naboja izme ñu ćelijine prednje i stražnje površine - naponski potencijal.

Poput baterije – površine se spoje izvana i poteče struja.

375

Osnovna struktura fotonaponske ćelije

Za prikupljanje FN struje, metalni kontakti su postavljeni na obije strane ploče da bi prikupljali struju induciranu fotonima na ćelijama. Kontakt je omogućen preko donje (tamne) površine i na jednom bridu gornje (svijetle) površine. Tanka vodljiva očica na preostaloj gornjoj površini skuplja struju i pušta prolaz svijetla. Razmaci vodljivih vlakana u očici je stvar kompromisa izmeñu povećanja električne vodljivosti i smanjivanja ne protočnosti svjetla.

Prednje lice ćelije ima anti-reflektirajuću oplatu da bi se što je više moguće umanjila refleksiju, a mehanička zaštita je zaštitno staklo s prozirnim ljepilom.

376

Maksimalan stupanj djelovanja fotonaponske ćelije ograničen termodinamički:

1. Gubici zbog poluvodičkih svojstava ćelije 23%

2. Gubici energije fotona većih od zabranjenog pojasa 31%

3. Gubici zbog ograničenja napona na veličinu manju od Eg/e,gdje je Eg donja granična energija, e jedinični naboj elektrona (kod Silicija: Eg/e = 0.8V, gubici 12%)

4. Gubici iz dodatnih termodinamičkih razloga vezani uz omjer struje kratkog spoja i napona otvorenog kruga, tj. praznog hoda (za Silicij kod omjera 0.9 gubici su oko 3%

Ukupni gubici fotonaponske pretvorbe min.: 67 %.

Glavne zapreke (razlozi protiv) šire uporabe su dakle nizak stupanj djelovanja (maksimalno teorijski 0.33, a i manje) i vrlo mali izlazni napon (do 0.7 V).

377

Poluvodič p-tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna elektrona) dopira 3-valentnim borom, a n-tip ima slobodne šupljine (manjak elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim fosforom.

Na spoju ova dva tipa poluvodiča rekombinacijom elektrona i šupljina nastaje neutralno područje sa električnim poljem. Da bi foton u sudaru prebacio elektron kroz to polje treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju.

To praktično znači da svi fotoni koji imaju energiju manju od potrebne ne mogu ostvariti fotoefekt, a svi elektroni koji imaju veću energiju od potrebne ostvaruju izbacivanje samo jednog elektrona.

Različiti materijali imaju odreñeni iznos energije praga ili zabranjenog pojasa. Napon na fotonaponskoj ćeliji odreñen je naponom praga (npr. kristalični Si 1,1 eV, Galij Arsenid 1,4 eV i amorfni Silicij 1,7 eV).

378

Spektralna distribucija solarnog zra čenja

i spektralni odziv solarne ćelije

Valna duljina µµµµm

Odz

iv s

olar

neć

elije

(pro

izv.

jed.

)

Sol

arno

zrač

enje

W/m

2 ,µµ µµm

ULTRA-LJUBI ČASTO INFRACRVENOVIDLJIVOPODRUČJE

379

Tehnološki pravci

1. Monokristalni (i polikristalni) Silicij

Površina ovisi o površini presjeka monokristala od kojeg se proizvode i iznosi 5 do 10 cm, debljina im je od 0.2 do 0.3 mm.

Elektromotorna im je sila 0.55 do 0.70 V, stvarna efikasnost 10 do 13.5 %, a teorijska efikasnost 16 do 25 %.

Visoka proizvodna cijena (kompliciran tehnološki postupak) solarnih ćelija od monokristalnog silicija jedina je njihova mana.

Poseban problem predstavlja vijek trajanja solarnih ćelija koje su izložene atmosferskim utjecajima (kiša, snijeg, tuča).

Tehnologija je te proizvodnje meñutim znatno napredovala, pa je i proizvodna cijena uvelike snižena.

380

Monokristalni Si Polikristalni Si Amorfni Si

381

2. Tanki filmovi

Radi smanjenja cijene razvija se tehnologija tankog filma (npr. amorfni Silicij, CIS, CTS spojevi). Prihvatljivija cijena, ali i niži stupanj djelovanja.

3. Galij- arsenid (i Kadmij-Telurid)

Ćelije od galij-arsenida prave se u obliku tankog filma od jedne (GaAs ) ili dviju komponenata ( GaAs + Cu2S ). Takva bi ćelija prema teorijskim predviñanjima trebala biti vrlo efikasna.

Njezina elektronička svojstva ukazuju na teorijsku efikasnost od 25 do 40 %. Ostvarena efikasnost iznosi 11 do 13 %. Problem: visoka cijena.

4. Novi koncepti – niža cijena/ve ća efikasnost

“Dye” (obojane) i organske ćelije – niža cijena, mala efikasnost

Istraživanja, npr. “vrući” elektroni, nanostrukture, kvantni izvori, dvosmjerne pretvorbe i sl. s ciljem povećanja efikasnosti na 30 do 60 %.

382

Teorijski i prakti čni stupanj djelovanja

Materijal ηηηη ideal ηηηη t ηηηηp

monokristalni Silicij (Si) 33% 22% 15%

polikristalni Silicij (p-Si) 33% 17,8% 13%

amorfni Silicij (a-Si) 33% 11,5% 7,5%

Galij-Arsenid (GaAs) 33% 28% 17%

Kadmij-Telurid (CdTe) 33% 15% -

Istraživanja 35% -

0

5

10

15

20

25

30

monokr. Si polikr. Si amorfni Si CIS tanki film CdTe ta nki film

St.

djel

ovan

ja %

KomercijalneIstraživanje

383

Materijali za puni spektar

Ge

GaAs

GaInP

µSolarni tok(1021 fotona/s/m 2/mm)

Sadržaj Ga uIn1-x GaxN leguri

Savršeno poklapanje podru čja pokrivanja In 1-xGaxN i solarnog spektra

Energija

(eV)

Efikasne fotonaponske ćelije koriste višestruke poluvodiče s fiksnim energetskim šupljinama (npr. ćelija s trostrukim spojem GaInP/GaAs/Ge)kako bi se obuhvatilo što veći dio solarnog spektra (prikazan lijevo)

Takve fotonaponske ćelije s višetrukim p-n spojevima mogu imati stupanj djelovanja i do 50%.

Istraživanja na intitutu LBLN s materijalima izrañenima na Cornell University SAD i u Japanu, pokazuju da izravna energetska šupljina materijala In1-xGaxN pokriva energiju od 0.7 do 3.4 eV (crvene oznake) solarnog spektra, a ne 2.0 do 3.4 eV kako je navedeno u lit. (plave oznake).

Ene

rgija

(eV

)

384

PV tehnologije – cijena i efikasnost

385

Konstrukcija FN ćelije

1) Okvir,

2) Vodootporna kutija za spajanje s opterećenjem,

3) Mjerna ploča,

4) Zaštita od vremenskih nepogoda (za 30 godina),

5) Fotonaponska ćelija,

6) Visoko osjetljivo zaštitno staklo

7) Vanjska električna sklopka

8) Okvir

386

Fotonaponski sustav ( ćelija, modul, niz, sustav)

Fotonaponska ćelija je temeljni gradivni blok fotonaponskog sustava. Individualne ćelije variraju od oko 1 - 10 cm (0.5 - 4’’).

Jedna ćelija proizvodi samo 1 ili 2 W , uz napon od oko 0,6 V, što je premalo za većinu primjena: električno se povezuju u modul (serijsko-paralelni spoj ćelija) zaštićen od atmosferskih utjecaja .

Moduli se mogu dalje povezati da bi oblikovali niz (serijsko-paralelni spoj modula), sastavljeno od jednog do nekoliko tisuća modula (ovisi o potrebnoj izlaznoj snazi)

FN sustav: cjelokupno proizvodno postrojenje.

Fotonaponski niz

387

Osnovne prednosti FN pretvorbe

1. Fotonaponska pretvorba je izravna - veliki mehanički sustavi generatora nisu potrebni.

2. Modularna karakteristika – moguće brzo i u dopuštenim veličinama instaliranje nizova (moguće postupno povećanje snage).

3. Korištenje i održavanje jednostavno - solarne ćelije nemaju pokretnih dijelova, nije potrebna koncentracija zračenja, solarne ćelije iskorištavaju i izravno i raspršeno zračenje Sunca.

388

Nadomjesna shema FN ćelije

Izlazna struja I je jednaka struji koju proizvodi sunčeva svjetlost IL, umanjenoj za zanemarivu struju diode Id i struju šanta ISH. Serijski otpor RS predstavlja unutarnji otpor toka struje i ovisi o dubini p-n spoja, nečistoćama i otporu spoja. Otpor šanta RSH je obrnuto razmjeran rasipnoj struji prema zemlji.

389

U idealnoj fotonaponskoj ćeliji RS=0 (nema serijskog gubitka), i RSH= ∞(nema rasipanja prema zemlji).

U običnoj visoko kvalitetnoj silicijevoj ćeliji veličine jednog kvadratnog inča RS = 0.05 do 0.10 Ω i RSH = 200 do 300 Ω.

Učinkovitost fotonaponske ćelije je osjetljiva na male promjene RS, ali nije osjetljiva i na promjene RSH. Malo povećanje u serijskom otporu RS

može značajno smanjiti izlazne karakteristike

Napon praznog hoda VPH ćelije odreñuje se kada je ćelije neopterećena (struja potrošača I = 0), prema izrazu: VPH = V + I RSH

Struja diode je dana klasičnim izrazom:

−= 1

AKT

QVII PH

Dd

ID = struja zasićenja diodeQ = naboj = 1.6 ⋅ 10-19 CA = prilagoñavanje krivulje konstanteK = Boltzmannova konstanta = 1.38 ⋅ 10-23 J/KT = temperatura u K

390

Stoga se izlazna struja računa kao:

Posljednji dio izraza (VPH/RSH) predstavlja struju rasipanja u zemlju, koja je u standardnoj ćeliji znatno manja u odnosu na struje IL i ID, pa se može zanemariti.

Zasićenost struje diode može se stoga eksperimentalno odrediti primjenjujući napon VPH u mraku i mjereći struju koja odlazi u ćelije. Ova struja često se naziva "struja mraka" ili obrnuta zasićenost struje diode.

Dva najvažnija parametra koji se naširoko koriste za upisivanje električne učinkovitosti rada ćelija su:

1. Napon praznog hoda VPH

2. Struja kratkog spoja IK

SH

PHPH

DL RVAKT

QVPIII e −−−=

1

391

Struja kratkog spoja se mjeri kratkim spajanjem izlaza terminala i mjereći tok terminala pod punim osvjetljenjem. Ignorirajući male struje kroz diodu i struje rasipanja prema zemlji zbog nepostojanja napona uslijed kratkog spoja, struja kratkog spoja pod ovim uvjetom je foto-struja IL (proizvedena iz sunčeve svjetlosti).

Maksimalni foto-napon se proizvodi u praznom hodu strujnog kruga fotonaponske ćelije. Opet, ignorirajući struju rasipanja prema zemlji, uz uvrštenje I = 0 napon praznog hoda računa se kao:

Konstanta KT/Q je apsolutna temperatura izražena u voltima (300 K=0.026 Volta). U praktičnim fotoćelijama napon praznog hoda iznosi više puta KT/Q vrijednost.

Pod uvjetom konstantne jakosti sunčevog zračenja, IL/ID je funkcija koja snažno ovisi o temperaturi ćelije, i solarne ćelije obično pokazuju negativni koeficijent temperature otvorenog kruga napona.

+= 1

D

LnPH I

ILog

Q

AKTV

392

Strujno-naponska (i-v) karakteristika FN ćelija

U prvom kvadrantu lijevi vrh i-v krivulje pri nultom naponu se naziva struja kratkog spoja. Ovo je struja koji bi smo mjerili na kratko spojenim izlaznim stezaljkama fotoćelije. Desni donji dio krivulje pri nultoj struji se naziva napon praznog hoda. Ovo je napon koju bi smo mjerili otvorenim izlaznim stezaljkama fotoćelije.

Strujno-naponska karakteristika FN ćelija pod osvjetljenjem i u mraku;

U lijevom prigušenom području ćelija radi kao konstantan izvor struje, stvarajući napon koji je usklañen sa otporom opterećenja. U desnom prigušenom području, struja brzo pada sa malim porastom u naponu. U tom području ćelija radi kao konstantan izvor napona sa unutrašnjim otporom. Negdje u sredini prigušenih područja, krivulja ima pregibnu to čku .

393

Ako je napon narinut izvana u obrnutom smjeru, recimo tijekom sistemske greške prijelaznog procesa, struja ostaje konstantna i snagu upija sama ćelija. Meñutim, iznad odreñenog negativnog napona spoj se raspada kao u diodi, i struja raste do visokih vrijednosti. U mraku, struja je nula za napon sve do napona raspada kada je ista kao i u osvijetljenim uvjetima.

Izgled i-v karakteristike FN ćelije odreñuju unutrašnji otpori, ovisno o vrsti FN ćelije.

0,17 0,15 0,09 0,10 0,12 0,24 0,27

30 26 15 20 15 30 20

0,65 0,60 0,85 0,5 0,7 1 1

Monokristalni-Si Polikristalni-Si Amorfni-Si Cd S / Cu2 S Cd S / Cd Te Ga Al As / Ga As Ga As

ηJks [mA/cm 2] Uok [V] Vrsta ćelije

394

Kod instalacije FN modula treba paziti na to da stupanj djelovanja FN ćelije pada sa porastom temperature (skoro 0,5% za +1 oC), a utječe se i na izgled i-v karakteristike.

)1()1( 00 TVTIIVP ∆⋅−⋅∆⋅+=⋅= βα

Strujno naponska karakteristika FN u ovisnosti o jakosti Sunčeva zračenja

Strujno naponska karakteristika FN u ovisnosti o radnoj temperaturi

395

Fotonaponski modul i strujno-naponske karakteristik e

396

Snaga FN ćelija: maksimalna snaga na trošilu postiže se samo u jednoj točki (pregiba)!

Moderne instalacije uključuju ureñaje za praćenje točke maks. snage ovisno o promjeni opterećenja i promjeni snage Sunčeva zračenja.

Karakteristika snage FN ćelije

397

Fotonaponski sustav

Ureñaj (fotonaponski niz) sam po sebi ne tvori fotonaponski sustav. Moramo takoñer imati:

- strukturu za postavljanje (i pogled ka suncu)

- tragač maksimalne snage i ureñaji za regulaciju

- komponente koje prihvaćaju istosmjernu struju proizvedenu od ureñaja (baterije, punjač...)

- ako potrošač zahtijeva izmjeničnu struju, u sustavu je potreban i pretvarač (izmjenjivač) da bi pretvorio istosmjernu struju u izmjeničnu.

398

Fotonaponski sustav

399

Tragač najviše snage prepoznaje trenutačne naponske i strujne izlaze ureñaja i stalno prilagoñava točku rada da bi povećao vršnu snagu pod danim uvjetima.

Izlaz ureñaja vodi do pretvarača (invertera) koji pretvara istosmjernu struju u izmjeničnu struju. Izlaz ureñaja može se koristiti i za punjenje baterije.

Punjač baterije je obično istosmjerni-istosmjerni pretvarač. Ako je izlazna snaga i dalje na raspolaganju nakon potpunog punjenja baterije, potiskuje se u vrstu grijača, koji mogu biti grijači prostora ili soba u samostalnom sustavu. Kada sunce nije na raspolaganju, baterija se prazni u inverter da bi napajala opterećenja. Dioda baterije (Db) za pražnjenje baterije kada je punjač otvoren nakon potpunog punjenja ili zbog drugih razloga. Dioda ureñaja (Da) izolira ureñaj od baterije, dakle sprečava ureñaj od korištenja baterije tijekom noći.

Modul nadzora sakuplja signale sistema, kao što su struje i napon ureñaja i baterije, prati stanje pri punjenju baterije zapisujući punjenje/pražnjenje amper-sata i kontrolira punjač, pretvaračpražnjenja, te uključuje i gasi grijače po potrebi. Modul upravljanja je središnji upravljač za čitavi sistem.

400

U FN sustavu spojenom na mrežu, grijači nisu potrebni, jer se sva izlazna snaga predaje u mrežu. Baterija je takoñer nepotrebna, osim za male kritične terete, kao što su početne kontrole i računala. Istosmjerna struja se prvo pretvara u izmjeničnu putem pretvarača, signal se filtrira i onda se samo filtrirana struja pušta u mrežu.

Za fotonaponske primjene, pretvarač je kritična komponenta, koja pretvara istosmjernu struju ureñaja u izmjeničnu struju za podržavanje opterećenja ili suradnje s mrežom. Novi proizvod koji je nedavno predstavljen na tržištu je izmjenični fotonaponski modul, u kojem je integriran pretvarač (izmjenjivač) izravno u modul i koji je trenutačno na raspolaganju do nazivne snage od nekoliko stotina vata. Opskrbljuje potrošače snage pri 50 (60) Hz izravno iz modula spojne kutije. Ovo uvelike pojednostavljuje dizajn fotonaponskog sustava.

401

Optimiranje globalnog i lokalnog optimuma ozraOptimiranje globalnog i lokalnog optimuma ozra ččenosti FN modula (panela) poloenosti FN modula (panela) polo žžajemajem

402

Primjer izvedbe FN sustava snage 3 kV

Napajanje kućanskih aparata električnom energijom pri 220 V ~

Potreban (benzinski) agregat kao potporni izvor energije (preko sklopke).

Specifikacija:Fotonaponski moduli H750 (75W/12V) SOLARIS - 8 komadaRegulatori punjenja GENIUS 30A - 2 komadaSolarne baterije 250Ah (C100) -4 komadaPretvarač P3000/12 INFOTON -1 komadSklopka (grebenasta sklopka u kutiji 1,0,2) 16A KONEAR- 1 komad

403

5.4. Uporaba fotonaponskih sustava i tržište

404

Uporaba FN sustava

1. Samostalni izvor energije (off-grid):

Sateliti (u svemiru snaga sunčeva zračenja i dobivena energija puno veća jer nema apsorbcije kroz atmosferu),

Zemaljska primjena:

a) industrija: za potrebe tehnoloških procesa

b) ostali potrošači: cestovni znakovi, kalkulatori, ručni satovi, i sl.

c) elektrifikacija ruralnih područja

2. Dodatni izvor energije na mreži (on-grid)

Poput baterija: istosmjerna struja za mala napajanja, npr. opreme) .

Priklju čene na elektri čnu mrežu: za sada neisplativo!!!

Zahvaljujući sustavima poticaja primjena na mreži čini daleko najveći dio instaliranih kapaciteta (2002.: 320 MW ili 71%) na PV tržištu i bilježi konstatan rast!

405

Elektrifikacija ruralnih podru čja

Pokazatelji : cijena na sat i cijena po litri vode

406

Primjena na mreži

Pokazatelji : estetika, cijena po površini i cijena po energiji

Njemački parlament

407

Usporedba primjene na postoje ćoj mreži i pri elektrifikaciji

408

Primjena na mreži -integracija u zgradi

Doxford Int. PLC ured:Prva komercijalna

zgrada s integririranim PV u zgradu

Podudarnost PV proizvodnje i potrošnje u poslovnoj zgradi

409

Primjena na mreži - noviji projekt

410

PV Tržište

Konstantan porast

Neisplativost primjene na mreži

411

PV tržište - stanje u EU

U Europskoj Uniji trenutno je 40% godišnji rast instalirane snage fotonaponskih ćelija. To se naizgled čini kao velik rast, ali u biti radi se o vrlo malim količinama, pa rast od 40% ne utječe posebno na ukupnu zastupljenost takvih izvora energije.

U 2000. godini u Europskoj Uniji bilo je instalirano 183.5 MWp, a to je 43.6% povećanja u odnosu na 1999. I u tom području Njemačka je sa 113.8 MWp (uključujući 100 MWp priključenih na električnu mrežu) vodeća država u Europi. (Japan u svijetu).

Razlog: njemački zakon o obnovljivim izv. en.: otkupna cijena energije iz PV je 0.5 € po kWh za prvih 350 MWp.

Poticaj presudan!!!

Plan EU: 3000 MWp do 2010.

412

Njemačka – primjer poleta tržišta: 1999. program 100.000 krovova i 2000. poticaj (feed -in law)

413

Instalirana snaga u svijetu (MW) od 1993. do 2006.

414

Instalirana snaga u EU

25 (MW) 2006.

Ukupna instalirana snaga u MWpna kraju 2006.

MWpinstalirano2006.

415

Fotonaponkse ćelije

Konv.: vršna snaga

Konv: temeljna snaga

Konkurentnost proizvodnje el. energije iz fotonapon skih ćelija- povijest od 1990., stanje 2000. i predvi ñanja do 2040.

Ipak i u ovom trenutku moguća isplativost primjene u nekim slučajevima, npr. u kombinaciji s dizelskim agregatom ili baterijom za potrebe pričuvnog napajanja

416

Ovisnost cijene modula o proizvedenoj energiji - povijest i o čekivanja

417

Proizvodnja elektriProizvodnja elektri ččne energije iz PV ne energije iz PV –– prognoza do 2030.prognoza do 2030.

418

Fotonaponske ćelije i ekologija

Iako je kod “eko-vjernika” korištenje Sunčeve energija putem fotonaponske pretvorbe najpopularniji nekonvencionalni izvor,fotonaponske ćelije su osobito problemati čne za okolinu:

1. Poluvodiči od kojih su izrañene sadrže teške metale (napr. GaAs) pa se tretiraju kao specijalni otpad kod odstranjivanja

2. Pri izradi dijelova koriste za okolinu vrlo neugodne kiseline

3. Tijekom korištenja sunčanih ćelija je dolazilo do požara , koji su prouzrokovali širenje toksičnih sastojaka

S druge strane (osim mogućnosti požara) u pogonu su fotonaponski sustavi pouzdani, ne zahtjevaju vodu za hla ñenje sustava i ne postoji emisija štetnih plinova.

Osnovni nedostatak veće primjene ostaje visoka cijena , za koju se očekuje da će postati prihvatljiva s razvojem tehnologije.

419

Vizija svjetske PV (FN) mreže

420

Sunčeva energija u RH

Prirodni potencijal

Kopnena površina RH 56538 km2 ,uz pretpostavku o intenzitetu sunčevog zračenja od 3,6 kWh/m2 na dan (oko 13MJ/dan)

Godišnji prirodni potencijal 250 EJ (700 puta više od ukupnepotrošnje u HR 2001.: 370 PJ)

Tehnički potencijal

Površina od oko 33 km2 dovoljna za finalnu potrošnju vruće vode, pare i el. energije.

3% površine na raspolaganju (1700 km2): 2% prekriti termičkim pretvornicima s prosječnom godišnjom efikasnošću od 40%, 1% prekriti fotonaponskim pretvornicima s prosječnom efikasnošću od 10%

Godišnji tehni čki potencijal 2,8 EJ (7,5 puta više od ukupna potrošnjau HR 2001., 370 PJ)

421

Gospodarski potencijal

podaci samo za primorske županije, # ne uključuje visokotemp. primjene u termalnim i fotonaponskim elektranama, čiji se potencijal procjenjuje ukupno na skoro 50 PJ, * podaci za poljoprivredu odnose se na cijelu RH

Ekonomski potencijal

Potencijal niskotemp. potrošnje sunčeve energije priobalnih županija:

Potencijal solarne arhitekture priobalnih županija:

Industrija Ku ćanstva Usluge Poljoprivreda * Ukupno

Potencijal # [PJ] 11,5 4,6 1,6 13,0 30,7

Industrija Ku ćanstva Usluge Poljoprivreda * Ukupno

Potencijal [TJ] 91 888 386 55 1420

Individualno Stanogradnja Hoteli Turisti čka naselja

Ukupno

Potencijal [TJ] 70 70 175 35 350

422

Potencijal sunčeve energije u sedam primorskih županija mnogostruko veći od ukup. energetske potrošnje topline i el. energije.

Dinamika iskorištavanja tog potencijala u funkciji ekonomskih prilika i strategije, financijske atraktivnosti te dinamike razvoja tehnologije korištenja sunčeve energije.

Trenutni planovi i programi (2000.) imaju za cilj prvo razvijati korištenje sunčeve energije za pripremu potrošne tople vode.

Tek u drugoj fazi, iza 2010. godine, znatnije bi se povečavao udio sunčeve energije u potrošnji za grijanje i hlañenje.

Za drugi dio programa oslanja se na korištenje hibridnih toplana Sunce - ukapljeni naftni plin (UNP), te Sunce – prirodni plin, gdje se očekuje ekonomični udio sunčeve energije do 50%.

Značajan početak korištenja fotonaponskih elektrana u EES-u ne očekuje se prije 2005, kada bi cijena takve el. en. mogla pasti tri ili više puta prema današnjoj (ni danas se ne koriste!!!).

Izuzetak su posebne instalacije na otocima i sl. u smislu samostojnih sustava. Snaga iznosi od 100 – 1000 kWp.

423

Solarni krov Špansko, Zagreb

• solarni kolektori 10 m2

• spremnik 750 l

• solarni moduli 7,14 kWp

• 3 izmjenjivača dc/ac

• 40 mjernih osjetnika

• 200 parametara